基于功率晶體管窄脈沖激光驅(qū)動設(shè)計

李 梟，顧國華

（南京理工大學(xué)江蘇省光譜成像與智能感知重點實驗室，江蘇南京210094）

基于功率晶體管窄脈沖激光驅(qū)動設(shè)計

李 梟，顧國華

（南京理工大學(xué)江蘇省光譜成像與智能感知重點實驗室，江蘇南京210094）

激光的高功率、窄脈沖是提高激光引信系統(tǒng)精度，提高引信抗干擾能力的重要手段。為實現(xiàn)小體積的高頻、高功率、窄脈沖激光發(fā)射，采用大功率晶體管正反饋設(shè)計出晶閘管開關(guān)應(yīng)用于高頻脈沖激光測距窄脈沖激光發(fā)射電路，用鉗位二極管抑制激光器反向擊穿。通過對RLC充放電回路、晶體管開關(guān)電路、晶閘管器件的分析，設(shè)計SCR電路，分析放電回路的三個步驟，運用pspice仿真程序?qū)︱?qū)動電路進行了參數(shù)仿真。制作了印刷電路板，得到峰值電流12 A，脈寬8 ns的脈沖電流。

激光引信；納秒級脈沖電流；負阻尼震蕩；pspice仿真

1 引 言

激光引信主要采用脈沖激光探測來對目標(biāo)的距離進行判別。脈沖激光探測系統(tǒng)發(fā)射重復(fù)頻率激光，不斷對目標(biāo)進行探測，光束到達目標(biāo)后產(chǎn)生漫反射，測量激光發(fā)射脈沖和接收到的激光回波脈沖的時間差來測距，使引信在距目標(biāo)一定距離上引爆。提高炸點控制精度是引信特別是近炸引信發(fā)展的一個重要內(nèi)容［1］。

近炸引信的誤差主要來源：

（1）測量頻率太低引起的誤差。對于高速運動物體假設(shè)速度1000 m/s，1 kHz的測量頻率在當(dāng)前測量到距離之后1 ms才會進行下一次測量，在這1 ms時間內(nèi)物體已經(jīng)向前運行了1 m，在這1 m距離內(nèi)沒有新測量值出現(xiàn)，系統(tǒng)會有1 m誤差。因此，減小此誤差需要不斷提高激光發(fā)射頻率。

（2）激光上升沿帶來時間測量誤差。假設(shè)回波鑒別采用固定閾值鑒別，回波信號上升沿為10 ns，那么最低鑒別點和最高鑒別點將會有10 ns的誤差。所以，減小上升沿可以減小回波鑒別誤差。

（3）環(huán)境干擾。激光器發(fā)射的光束可以被任何實物質(zhì)反射和散射，再稀薄、細小的反射物質(zhì)（如煙塵或雨、雪、云以及非金屬反射物等），在近距離（幾米之內(nèi)）上，對激光引信均有實質(zhì)上的干擾，這種干擾嚴(yán)重影響了引信的測距精度。

想要提高引信精度，增加抗干擾能力就必須提高激光發(fā)射頻率，減小激光發(fā)射脈寬。現(xiàn)有的大功率窄脈沖激光驅(qū)動想要得到20 ns脈寬的激光發(fā)射一般采用的是功率MOS管和雪崩晶體管作開關(guān)。采用功率MOS管作為開關(guān)，在柵極和源極以及柵極和漏極之間有較大的寄生電容，在開啟過程中需要較大的瞬間電流；采用雪崩晶體管作為開關(guān)，雪崩效應(yīng)使雪崩管響應(yīng)速度快，雪崩效應(yīng)產(chǎn)生前提需要大電流注入，同樣需要復(fù)雜的前級驅(qū)動電路提供開啟時的瞬間大電流。本文在對RLC充放電回路理論分析以及功率晶體管開關(guān)響應(yīng)時間分析的條件下，介紹了一些激光器封裝帶來的感抗，設(shè)計了正反饋大功率晶體管代替RLC放電回路中的開關(guān)，電路開關(guān)驅(qū)動脈沖采用STM32計時器產(chǎn)生的脈沖源。對整個激光驅(qū)動電路進行pspice仿真，對影響電路的關(guān)鍵參數(shù)做了分析。

2 RLC充放電電路原理

由于開關(guān)器件特性，要得到窄脈沖電流一般采用RLC放電。典型的RLC充放電電路如圖1所示，圖中開關(guān)斷開時，高壓E通過充電電阻R1對C進行充電，時間常數(shù)R1C。開關(guān)閉合后，電容C對RL進行放電，根據(jù)RLC值的不同分為過阻尼響應(yīng)，臨界阻尼響應(yīng)和欠阻尼響應(yīng)，因為欠阻尼響應(yīng)時間短，所以激光發(fā)射選擇工作在欠阻尼響應(yīng)過程。

圖1 RLC充放電電路

如圖2所示欠阻尼響應(yīng)仿真過程，V（C）為電容電壓，V（L）電感電壓，I（L）為整個電路電流，從仿真過程可以看出當(dāng)開關(guān)閉合后電容電感電壓逐漸減小，當(dāng)電路中電流為最大時電感電壓減小到0；此后電流逐漸減小，電容電感電壓反向增大如此反復(fù)直到能量被電阻消耗。當(dāng)E=100，R=1，L=10 nH， C=1 nF，可以得出周期通過對RLC放電電路分析得出想要減小電流循環(huán)周期需要減小LC值；同時激光器只能工作在正半周期，需要控制震蕩。

圖2 RLC放電電路電容、電感電壓及電流信號

3 開關(guān)器件

由于半導(dǎo)體激光脈沖電源本質(zhì)是一種大電流RLC放電電路，其中選擇一個快速響應(yīng)的高穩(wěn)定脈沖電流開關(guān)器件對于驅(qū)動電路至關(guān)重要。滿足響應(yīng)時間幾納秒，最大脈沖電流幾十安培的開關(guān)器件主要有雪崩晶體管，VMOS管和功率晶體管。雪崩三極管為電流控制器件，一般封裝較大，需要較大的偏置電壓驅(qū)動，對弱信號電路干擾較大；此外雪崩三極管有二次擊穿現(xiàn)象，可能對半導(dǎo)體激光造成損害［2］；VMOS管為電壓控制器件，輸入阻抗高，開關(guān)速度快，驅(qū)動功率小，但是延遲時間和上升時間也會有幾十納秒，器件寄生電容限制了開關(guān)時間。功率晶體管作為電流控制器件，延遲時間和上升時間較大，也會有幾十納秒，如圖3所示為晶體管開關(guān)電路。

圖3 晶體管開關(guān)電路

在脈沖源VI的控制下，電路響應(yīng)過程如圖3（b）所示，VI從負電壓Vb1轉(zhuǎn)變?yōu)檎妷篤b2后，晶體管集電極電流不會瞬間達到峰值，響應(yīng)時間為td和tr；VI從Vb2轉(zhuǎn)變?yōu)閂b1后，響應(yīng)時間為ts和tf。

（1）延遲時間td：從輸入正脈沖作用的瞬間開始到集電極電流ic上升到0.1 Icmax所需時間。截止時反向偏壓越負，在轉(zhuǎn)為正向偏置時，結(jié)電容的充電時間越長，td越長。同理，正向驅(qū)動能力越大（即+Vb2大，ib大），則td越短。

（2）上升時間tr：集電極電流ic從0.1 Icmax上升到0.9 Icmax所需時間。ib越大，上升時間tr越短。

對晶體管開關(guān)電路分析得知，想要得到更小的上升沿需要導(dǎo)通時向晶體管基極注入大脈沖電流減小電流上升時間。該結(jié)論同樣適用于MOS管以及雪崩晶體管開關(guān)器件。

PNPN器件晶閘管，又稱做可控硅整流器。晶閘管由陽極A陰極K和門極K構(gòu)成。晶閘管工作時由門極K注入電流，通過自反饋形成快速打開。對于PNPN器件，要完成從阻態(tài)到導(dǎo)通快速轉(zhuǎn)化，基區(qū)寬度應(yīng)該較?。蝗欢鶇^(qū)寬度越小，穿通電壓越小［3］，即集成的晶閘管電流上升時間和能夠承受的最大電壓成反比。激光驅(qū)動電路中的電壓影響著激光峰值電流，所以想要得到快速電流上升時間和較大峰值電流采用集成晶閘管無法做到。根據(jù)上面分析，本文通過希望通過功率晶體管設(shè)計晶閘管電路解決功率晶體管打開時間長以及晶閘管的缺陷問題。

4 功率晶體管SCR電路

根據(jù)上面的分析，為了獲得更小的震蕩周期需要減小放電回路LC值；圖4為一些激光封裝對應(yīng)的封裝感抗值［4］，由于使用的激光器是TO-5封裝，所以取激光器封裝寄生電感10 nH。

圖4 激光器封裝電感

采用功率晶體管設(shè)計SCR電路獲得較高峰值電流和較小電流上升時間，設(shè)計電路如圖 5所示。

圖5 正反饋晶體管開關(guān)電路及pspice仿真

如圖5所示，充電電路主要由高壓V1，充電電阻R2，R7構(gòu)成；放電回路由充電電容C1，脈沖信號源V2，激光器等效電阻R5，激光器封裝電感L2，Q1，Q2和R3組成的正反饋電流放大器構(gòu)成。D1的作用使大電流不會通過R4影響前級驅(qū)動芯片，D4作為鉗位二極管限制激光反向工作引起的反向擊穿。電路通過Q1集電極電流反饋給Q2基極增加基極電流從而減小電流上升時間。

（1）鉗位二極管電阻

通過圖5仿真曲線I（R5）看出激光電流上升時間只有6 ns，下降時間非常長，但是由Ie（Q2）曲線發(fā)現(xiàn)晶體管電流發(fā)射極電流下降時間不到1 ns。造成該現(xiàn)象的原因是，當(dāng)電路中電流達到最大時，電容C1上能量幾乎轉(zhuǎn)移到電感L2上，由于D4的存在，電感上的能量通過L2，D4，R5放電，放電常數(shù)L/R，而不是通過LRC震蕩對電容進行反向充電，所以出現(xiàn)了隨著電容能量減小晶體管已經(jīng)關(guān)斷但是電感還在放電。所以想要減小R5電流下降時間需要減小LR放電常數(shù)。如圖6所示為設(shè)計的放電電阻R9。

圖6 電路改進及仿真

通過圖6仿真曲線I（R5）看出增加R9可以將下降沿時間減小到8 ns。通過此正反饋電路設(shè)計，能夠產(chǎn)生15 ns，25 A峰值電流。

（2）整個電路對前級驅(qū)動影響

由于Q1集電極反饋給Q2基極電流很大，有一部電流會通過V2到地進入激光器，所以電路中設(shè)計了D1抑制反向電流對前級驅(qū)動的影響。但是二極管會有反向恢復(fù)時間，二極管正向工作時突然反向會存在導(dǎo)通到反向截止恢復(fù)時間，這個反向電流會影響前級芯片以及給整個系統(tǒng)帶來噪聲。為了抑制反向電流改變驅(qū)動脈沖電路模式，如圖7所示。

圖7 前級驅(qū)動電路改進

通過增加電感L6，由于電流不能突變，反向電流到來時能夠起到抑制作用，事實證明該做法對前級脈沖信號及電路噪聲有一定改善。

根據(jù)對電路設(shè)計的改進得到電路放電的三個步驟：

開關(guān)打開過程（t1），當(dāng)V2脈沖上升到0.7 V左右使晶體管Q2打開，初始電流（3.3-0.7）/10= 260 mA，晶體管Q2放大使Q2集電極電流增加，當(dāng)達到700 mA時Vbe（Q1）=-0.7 V使Q1導(dǎo)通，Q1導(dǎo)通后產(chǎn)生的集電極電流注入Q2基極，使Q2集電極電流即Q1基極電流增加，更增加了Q2集電極電流，形成正反饋快速放電，當(dāng)電流達到一定值后晶體管飽和，等效為短路，此時開關(guān)完全閉合。

欠阻尼震蕩（t2），開關(guān)完全閉合后，電路就完全是RLC放電。隨著電容C1放電兩端電壓減小，當(dāng)電感兩端電壓為0時，電路中電流將會達到最大（這個電流值為激光器電流峰值），此后電流值逐漸減小，寄生電感電壓會從0反向增大，當(dāng)C1負端電壓0.7 V時，D4導(dǎo)通。

RL放電（t3），D4導(dǎo)通后，能量大部分存在于電感之中，電路放電回路既有LRC放電L2，R5，C1，也有LR放電L2，R9。對于RL放電電路，放電常數(shù)為L/R=3.3 ns，所以增加R9可以減小電流下降沿時間，但是LR電路阻抗的增加LRC放電就會增強，會引起LRC震蕩的產(chǎn)生，激光器反向電流出現(xiàn)。

通過電路放電過程的分析得出，通過Q1的反饋給Q2基極的電流使電流上升時間減小，通過R9電阻的設(shè)計減小了電流下降時間。

此開關(guān)電路設(shè)計優(yōu)點：開關(guān)電路驅(qū)動功率小，因為在晶體管Q2導(dǎo)通后基極的電流幾乎有Q1集電極提供；開關(guān)速度快，對于一片功率晶體管來說，它的脈沖前沿會大于50 ns，由于Q2導(dǎo)通后由于Q1反饋回來的電流會加速整個開關(guān)電流增加，使脈沖前沿小于10 ns，增加了系統(tǒng)響應(yīng)帶寬；下降時間短，下降時間由RL放電電路決定；對激光器的保護作用，由于功率晶體管有最大脈沖集電極電流限制，所以電路中脈沖電流不會超出一定范圍值，由于D4存在流過激光器的電流不會反向。

5 pspice參數(shù)分析

實際電路中不僅僅只有激光器封裝電感，還存在著其他寄生參數(shù)。如圖8所示，實際電路中將L1，R1，L2，C2作為寄生參數(shù)，R4為限流電阻。

圖8 實際電路設(shè)計及寄生參數(shù)

下面對放電回路中的電阻電容電感進行pspice參數(shù)分析獲得它們對整個系統(tǒng)影響圖。如圖6所示，圖中被測量信號為上升信號I（R5）和下降信號V（L2），電流I（R5）直觀反映整個激光脈沖電流，電壓V（L2）負向最大時為開關(guān)閉合時間，電壓V（L2）為0時為電流達到最大的時間。

（1）電阻R4從1～5，仿真步長2，由圖9（a）得出隨著電阻增加V（L2）達到最大時間增加（t1增加），I（R5）電流減小。減小R4可以減小上升時間、增加峰值電流。

（2）電阻R9從1～5，仿真步長2，由圖9（b）可以看出隨著R9增加下降沿時間t3減小，但會引起電流反向，容易損壞激光器。

（3）電容C1從1～3 nF，仿真步長1 nF，由圖9（c）得出電容增大，t1時間減小，但總時間增加，電容增大，電流峰值增加。

（4）電感L1從1～5 nH，仿真步長2 nH，由圖9（d）得出電感對整個脈沖電流影響不大。

（5）電感L2從5～15 nH，仿真步長5 nH，由圖9（e）得出電感L2增加，上升時間t1增加，峰值電流較小，電流下降時間t3增加，在整個設(shè)計一定要減小L2。

（6）高壓V1從100～200 V，仿真步長50 V，由圖9（f）得出高壓增加能提高峰值電流，但是會引起電流上升時間t1增加。

圖9 激光發(fā)射電路模型pspice參數(shù)分析

對參數(shù)分析后得出結(jié)論，在滿足電流不會因為太大而損壞激光器的條件下，減小限流電阻R4；在滿足激光器不會出現(xiàn)負向電流條件下，增加鉗位二極管電阻R9；減小放電回路電感值；取一個合適充電電容C1，高壓V1值，獲得合適的電流峰值和放電時間。

6 實驗結(jié)果及結(jié)論

通過上面的分析，在實際設(shè)計中，對于高頻引信系統(tǒng)，充電電容電壓不會太大，取V1=50 V；整個電路不希望能量耗散在電阻上，取限流電阻R4=0；由于鉗位二極管并不理想，存在等效電阻，所以可以取鉗位二極管電阻R9=0；采用stm32定時器生成的脈寬80 ns周期20 kHz的脈沖源。PCB中設(shè)計5個1歐姆并聯(lián)電阻連接在地與激光器之間作為電流測試點，由于電路快速放電電磁干擾嚴(yán)重，實驗中通過測量電阻兩端電壓相減得到電壓。如圖10所示，C1= 1 nF和C1=2 nF電流。

圖10 C1=1 nF電流與C1=2 nF電流

由圖10中得出C1=1 nF脈沖電流峰值為12 A，脈寬8.3 ns，電流持續(xù)時間18 ns，對應(yīng)激光器峰值功率30 W；C1=2 nF時脈寬14 ns，峰值電流15 A，通過對比看出主要是電流下降時間較長，結(jié)果與pspice參數(shù)分析相吻合。

綜上所述，本文通過正反饋向晶體管基極注入電流，減小晶體管打開時間；通過鉗位二極管電阻減小電流下降時間。PCB板通過stm32芯片定時器產(chǎn)生的脈寬80 ns重復(fù)頻率20 kHz脈沖信號和50 V高壓驅(qū)動，能夠產(chǎn)生峰值電流12 A，脈寬8 ns的激光脈沖動，整個電路體積小，驅(qū)動簡單，可以應(yīng)用于20 kHz激光引信系統(tǒng)，為激光引信中激光驅(qū)動的小體積、高功率、窄脈沖提供了很好的方案。

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Narrow Pulse laser driver design based on Power transistors

LIXiao，GU Guo-hua
（Jiangsu Key Laboratory of Spectral Imaging&Intelligent Sense，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

For the purpose tomake a small volume，high frequency，high power and narrow pulse laser driver，we designed a thyristor switch by using high power transistor with positive feedback，and would apply it to high-frequency pulse laser ranging and narrow pulse laser emission circuit.The laser reverse breakdown is suppressed by using the clamping diode laser.Through theoretical analysis for RLC circuit，the transistor switch circuit and thyristor device，SCR circuitwas designed，and by analyzing principle of the discharge circuit，the whole driving circuit is simulated with SPICE program.Practical board wasmade.The peak current is 12 A and pulse width was 8 ns.

laser fuze；nanosecond pulse current；negative damping concussion；pspice simulation

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2013.05.016

1001-5078（2013）05-0544-06

李 梟（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為高精度高頻率激光測距。E-mail：lixiao609@yahoo.com.cn

2012-09-26；

2012-10-22